USB:具有優(yōu)良性價(jià)比的單臺(tái)儀器接口

USB(通用串行總線)作為PC機(jī)的外設(shè)總線，由于具有串行傳輸、即插即用、可熱插拔、配置方便、連接簡(jiǎn)單、兼有直流供電、傳輸率最高480 Mbps、價(jià)格大眾化等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。每部臺(tái)式 PC 機(jī)和筆記本 PC都配備2個(gè)以上USB接口，除了大量PC外圍設(shè)備之外，便攜音視頻、移動(dòng)電話、消費(fèi)電子等產(chǎn)品亦廣泛使用USB接口。自從2001年 PC開(kāi)始使用USB接口，它的安裝數(shù)逐年增猛，2006年的安裝數(shù)已超過(guò)20億套，至今總安裝數(shù)累計(jì)已超過(guò)50億套,USB接口成為最普及的、也是成本最低的 PC外設(shè)接口。

　　近年來(lái)，USB接口獲得測(cè)試測(cè)量?jī)x器業(yè)和用戶的認(rèn)同，應(yīng)用面從簡(jiǎn)單的附件式儀器擴(kuò)大到中髙檔臺(tái)式儀器，它們直接使用這種PC外設(shè)接口作為儀器通信互連總線。雖然USB接口不是測(cè)試測(cè)量業(yè)的通用儀器標(biāo)準(zhǔn)接口，但它是筒單、經(jīng)濟(jì)、實(shí)效的非標(biāo)準(zhǔn)接口，成為單臺(tái)儀器接口的最佳選擇。

　　USB接口的儀器應(yīng)用

　　現(xiàn)今，測(cè)試測(cè)量?jī)x器業(yè)共擁有四種開(kāi)放式儀器總線標(biāo)準(zhǔn)，它們是GPIB(IEEE488) 、VXI、PXI、LXI。其中GPIB是參考早期 PC 總線構(gòu)建的儀器總線, VXI、PXI都是由PC通用外設(shè)總線擴(kuò)展而成的儀器總線,而 LXI是以太網(wǎng)接口擴(kuò)展而成的儀器接口。因?yàn)?PC外設(shè)總線和以太網(wǎng)應(yīng)用面廣泛、性能價(jià)格比高，擴(kuò)大到儀器應(yīng)用具有因利乘便、事半功倍的效益。

　　四種儀器標(biāo)準(zhǔn)總線的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)由臺(tái)式儀器和/或模塊儀器組成的通信網(wǎng)絡(luò),顯然，它們用于單臺(tái)儀器是資源過(guò)剩,并不具有高性能價(jià)格比的優(yōu)勢(shì)。在USB接口未推出之前，單臺(tái)儀器與 PC 機(jī)的通信曾使用并行、串行、AT/XT、PCI、IEEE1394等總線接口，它們都不夠經(jīng)濟(jì)實(shí)用。例如與單臺(tái)儀器所用的GPIB接口相比，USB接口的成本不到前者的三分之一。當(dāng)前USB接口已被測(cè)試測(cè)量?jī)x器供應(yīng)商和用戶認(rèn)可，成功地將這種 PC外設(shè)總線直接用作儀器總線,而無(wú)需擴(kuò)展的一個(gè)成功范例。

　　幾年前只有掌上式的功能較簡(jiǎn)單或頻率較低的USB儀器出現(xiàn)，例如數(shù)據(jù)采集器、數(shù)字示波器、數(shù)字多用表等 PC 附件式儀器，因?yàn)?span id="1116611" class=Apple-converted-space>USB設(shè)備之間的通信必須通過(guò) PC主機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而且USB接口的直流供電電流只有100 mA/5V，不能滿足復(fù)雜儀器的連接和供電。后來(lái)增加USB接口附屬條文OTG解決了設(shè)備之間的直接通信問(wèn)題，接著USB標(biāo)準(zhǔn)1.0版本開(kāi)級(jí)至2.0 , 新標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸率從 12 Mbps增加至480Mbps, 擴(kuò)大了USB接口在測(cè)試測(cè)量?jī)x器的應(yīng)用范圍。隨著 PC時(shí)鐘頻率和外圍設(shè)備數(shù)據(jù)率的提高，今年USB接口準(zhǔn)備增加直流供電電流值、連接器和集線器微型化、推出多種加固型連接器等有利于USB接口發(fā)展的新措施。

　　USB接口具備良好的組網(wǎng)能力，借助星形鏈可連接127個(gè)USB設(shè)備，每條連接電纜最長(zhǎng)5 m ，分級(jí)通過(guò)5個(gè)集線器的最長(zhǎng)距離可達(dá)30 m。通過(guò)USB接口組網(wǎng)為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)帶來(lái)許多方便，使系統(tǒng)的通道數(shù)和取樣速率大幅度提高。近兩年來(lái)，由于已使用四十年的 GPIB 總線將由新一代的 LXI總線代替，單臺(tái)臺(tái)式儀器開(kāi)始選用USB接口, 應(yīng)用面擴(kuò)大到中髙檔的臺(tái)式儀器。例如示波器業(yè)巨頭Tek公司的幾種經(jīng)濟(jì)型數(shù)字示波器, 如最高帶寬200 MHz和最高取樣率2GS/s 的TDS1000B和TDS2000B系列只配置USB接口，不再安裝 GPIB接口。實(shí)現(xiàn)即插即用的與 PC的無(wú)縫連接,簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)收集、捕捉、分析的工作進(jìn)程，達(dá)到降低儀器成本、使儀器輕巧、提高生產(chǎn)效率的要求。數(shù)字示波器還提供外接設(shè)備的USB接口，可連接閃存和打印機(jī), 作數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、交換和現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)之用。測(cè)試測(cè)量?jī)x器業(yè)的著名公司，如引領(lǐng)LXI聯(lián)合體的安捷倫、引領(lǐng) PXI系統(tǒng)聯(lián)盟的NI等公司都生產(chǎn)USB儀器，包括單通道20 GHz微波功率計(jì)、中等特性的頻譜分析儀、光譜分析儀、取樣率1 MS/s的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。而且使用 LXI或 PXI作為主要接口的模塊儀器，大部分都同時(shí)安裝USB接口作為輔助接口，以便擴(kuò)大模塊儀器的連接能力。

　　USB總線特性還在提高，值得注意的有，一是無(wú)線USB(WUSB) 標(biāo)準(zhǔn)己經(jīng)通過(guò)，將可實(shí)現(xiàn)無(wú)線的USB儀器互連;二是USB的供電電流可從500 mA/5V 提高到6A/5V，便于更大功耗儀器的供電;三是準(zhǔn)備再提高傳輸率，加快存儲(chǔ)媒體的數(shù)據(jù)交換能力。顯然，在今后幾年內(nèi)USB總線將在試測(cè)量?jī)x器中發(fā)揮更大作用，擴(kuò)大應(yīng)用范國(guó)。

　　基于USB接口的儀器系統(tǒng)

　　USB儀器是作為PC機(jī)外設(shè)接入USB接口的，由USB總線與PC機(jī)建立主從通信聯(lián)系，同時(shí)從PC機(jī)接口獲取直流供電。實(shí)質(zhì)上，USB儀器就是虛擬儀器，它借助PC機(jī)實(shí)現(xiàn)接口控制、編寫程序、數(shù)據(jù)處理、虛擬面板、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等測(cè)試測(cè)量?jī)x器的功能。

一個(gè)USB接口由三個(gè)元件組成，一是主控機(jī)(PC機(jī)或筆記本機(jī))，二是USB設(shè)備(通過(guò)USB收發(fā)器芯片)，三是USB連接電纜 (四線或無(wú)直流供電的雙線電纜)。USB接口數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)包傳送，每幀1 ms ，分成8個(gè)125 us 的微幀。PC 主控機(jī)啟動(dòng)對(duì)USB設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，最簡(jiǎn)單的作業(yè)需要三至四個(gè)數(shù)據(jù)包，即主機(jī)請(qǐng)求、數(shù)據(jù)傳送和主機(jī)確認(rèn)信息。

　　向USB設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)或從USB設(shè)備接收數(shù)據(jù)都要經(jīng)過(guò)USB設(shè)備端點(diǎn)(EP), EP 相當(dāng)于單向開(kāi)關(guān)，只能單方向傳送數(shù)據(jù)。主控機(jī)PC與USB信息交換有四種基本傳輸模式：

　　1、中斷數(shù)據(jù)傳輸(INT)—要求定時(shí)和可靠地傳輸小量數(shù)據(jù)時(shí)使用

　　2、同步數(shù)據(jù)傳輸(ISO)—事前協(xié)商帶寬和允許有數(shù)據(jù)損失時(shí)使用

　　3、塊數(shù)據(jù)傳輸(BULK)—要求快速和無(wú)數(shù)據(jù)損失傳輸大量數(shù)據(jù)時(shí)使用

　　4、控制傳輸(CTL)—通常用于發(fā)送配置、命令、狀態(tài)等數(shù)據(jù)包

　　圖1USB儀器系統(tǒng)的方框圖

　　一個(gè)基于USB接口標(biāo)準(zhǔn)的儀器系統(tǒng)方框圖如圖1所示，為了便于說(shuō)明, 把它具體化為一臺(tái)通用的USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。圖中左邊方框是數(shù)據(jù)采集前端，收集傳感器等器件傳送來(lái)的模擬和/或數(shù)字輸出信號(hào)。圖中右邊方框是嵌入式處理器、通信和控制邏輯電路和一組EP。經(jīng)過(guò)數(shù)字處理后的多通道傳感器信號(hào)，按序列由各EP送到USB接口和電纜，最后輸入到主控 PC機(jī)。在構(gòu)建USB儀器系統(tǒng)時(shí)，主要考慮圖中右邊的處理器、通信和控制邏輯的選擇：

　　·數(shù)據(jù)傳輸率—USB標(biāo)準(zhǔn)有1.5 Mbps (低速)、12Mbps(全速)、480Mbps(高速)三種速率，可根據(jù)輸入信號(hào)的最髙速率和主控 PC機(jī)能夠支持的數(shù)據(jù)率，權(quán)衡和選擇USB接口。

　　·PC 機(jī)的USB接口—臺(tái)式 PC和筆記本PC都有兩個(gè)以上USB接口分別稱為主接口A和設(shè)備接口B。主接口A 連接 PC使用的USB外圍設(shè)備，如閃存、硬盤和其它外設(shè)。設(shè)備接口B用于連接USB儀器。

　　·因?yàn)?span id="1161661" class=Apple-converted-space>USB接口標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有定義儀器的USB設(shè)備類別，為了便于測(cè)試測(cè)量?jī)x的接入, 由USB-IF(USB實(shí)施者論壇)定義一個(gè)特別的設(shè)備類別，稱為測(cè)試測(cè)量?jī)x器類別，簡(jiǎn)稱(USBTMC)類。USB-IF將USBTMC 設(shè)備設(shè)計(jì)成模擬GPIB(IEEE488.1) 總線的設(shè)備，因而原來(lái)大量 GPIB儀器使用的程序和驅(qū)動(dòng)器